本实用新型属于地质岩心钻探技术领域，涉及冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，尤其适用于海洋及陆地冻土带天然气水合物钻探冷冻取样。
背景技术：
随着经济的高速发展，能源的消耗也日益增长，石油、煤和天然气等常规能源大量消耗，从其剩余储量来看，常规能源已经无法继续长期支撑现代工业。目前全球海底天然气水合物中甲烷的碳总量相当于当前已知煤、石油和天然气等化石燃料总资源量的两倍。因而，天然气水合物成为世界各国在能源战略平衡发展中必须加以考虑的重要后备能源。在未来成为煤、石油、天然气等常规能源的替代能源也被人类所共识。我国首次海域天然气水合物试采在南海神狐海域获得了圆满成功，实现了我国天然气水合物研发的历史性突破，然而，海域天然气水合物的试采成功只是万里长征的第一步，为了实现2030年天然气水合物产业化开发，还有很多问题需要克服，还有很多关键技术需要掌握。
天然气水合物勘探和开发研究的关键之一是钻探取样技术,因为钻探取样是了解天然气水合物储藏条件最直接的手段之一,只有获取高保真的天然气水合物样品才能确认勘探的正确性,同时也是计算储量和制定开发方案的重要依据。
天然气水合物的形成和赋存条件比较苛刻，因此获取高保真的天然气水合物样品难度较大。目前获取天然气水合物的保真取样器主要有孔底保温保压取样器和孔底冷冻取样器两种。而孔底保温保压取样器对球阀的强度和密封性的要求很高，一旦其密封性有所下降，就不能获取高保真的岩心，且存在钻进过程中岩心被冲洗液污染和冲蚀的问题。孔底冷冻取样器则需要消耗大量的冷冻剂，冷冻剂注入的过程中也会伴有大量的气化，冷冻腔上下两端也易存在温度不均，导致冷冻效果差、冷冻效率低；每次注入冷冻剂都费时费力，不仅会增加人工成本还会影响工程进度。因此，现有技术中亟需一种新的技术方案解决上述问题。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种工作稳定可靠、动作容易实现、冷冻效果好、取心率高、取心保真度高的冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，其特征在于：该取心钻具由内管总成和外管总成两部分构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，
所述打捞机构包括捞矛头、第一弹性销及弹卡回收管，捞矛头通过第一弹性销与弹卡回收管铰接；打捞器下入孔内后与捞矛头连接；弹卡回收管在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向提升和下放；
所述弹卡定位机构包括第二弹性销、弹卡挡头、扭簧、弹卡、第三弹性销及弹卡架，弹卡架与弹卡回收管通过第二弹性销铰接，第二弹性销与弹卡架的连接为可动连接，第二弹性销与弹卡回收管之间为固定连接，弹卡数量为两片，两片弹卡均卡在弹卡挡头上，且两片弹卡之间通过第三弹性销形成转动连接，弹卡因扭簧在弹卡架内保持张开，第三弹性销与弹卡架为固定连接；
所述悬挂机构包括弹卡架、内接手、第一悬挂环与第一座环，内接手与弹卡架通过螺纹连接，同时内接手通过螺纹与第一悬挂环连接，在内接手上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于第一悬挂环上方，另外四个斜孔位于第一悬挂环下方，第一悬挂环与第一座环接触后，内管与外管之间的流通通道被堵死，泥浆通过位于内接手上部的斜孔进入，从位于内接手下部的斜孔流出完成泥浆循环；第一悬挂环与第一座环为接触式连接，这种接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内；
所述单动机构包括上轴承座、下轴承座、第一轴承、第二轴承和油嘴，上轴承座与内接手通过螺纹连接；第一轴承上部与上轴承座接触，并随上轴承座转动，第一轴承下部与下轴承座接触保持不动；第二轴承上部与下轴承座接触；油嘴与下轴承座通过螺纹接触，润滑油通过油嘴注入到第一轴承与上轴承座之间和第二轴承与下轴承座之间的间隙内；
所述缓冲机构包括弹簧、挡环、垫片及圆螺母，圆螺母与上轴承座通过螺纹连接，并通过垫片将挡环固定在上轴承座的下部台阶处，弹簧下部与挡环接触，弹簧上部与第二轴承接触；
所述冲击机构包括电动冲击器、电源、连接杆、电极、导线、内螺母挡片、挡片密封圈、第一腔体管、第二腔体管及第二钻头，电极位于电源的内部通孔中，正极位于负极上方，并分别与连接杆内的两根导线接触；连接杆穿过位于电源内部的通孔与电源腔体管螺纹连接，电源通过设置在连接杆内部的导线依次与制冷机组、电动冲击器形成可动连接，电源固定在电源腔体管内；内螺母挡片与电源腔体管螺纹连接，内螺母挡片中部设置有挡片密封圈；第二腔体管与第一腔体管之间螺纹连接；第二钻头与第二腔体管通过螺纹连接；电动冲击器固定在第一腔体管内；当内管总成中的第一腔体管沿连接杆向上运动到与电源腔体管接触时即达到第一腔体管的行程上限，此时导线接通电源与电动冲击器，电动冲击器开始工作，电动冲击器的冲击力通过第二腔体管传递到第二钻头进行冲击钻进；
所述孔底冷冻机构包括制冷机组、电源、连接杆、导线、冷冻腔、真空腔、制冷剂输入管、制冷剂输出管、岩心管、卡簧、卡簧座、止逆阀球和止逆阀座，连接杆下部依次穿过第一腔体管、制冷机组、减震垫片、电动冲击器和第二腔体管，并与它们形成可动连接，连接杆与第一腔体管之间设置有密封圈；制冷机组经定位螺栓与第一腔体管形成固定连接，连接杆下端部与第二腔体管内腔顶面接触时即达到第一腔体管的行程下限，第二悬挂环与第二座环之间预留有供冲洗液通过的间隙，此时导线接通制冷机组与电源，冷冻腔和真空腔位于第二腔体管内部，冷冻腔和真空腔同轴布置，且真空腔位于冷冻腔外部，冷冻腔分别通过制冷剂输入管、制冷剂输出管与制冷机组连通形成制冷剂循环系统；拔断天然气水合物岩心时，连接杆下端部与第二腔体管内腔顶面接触时即达到第一腔体管行程下限，第二悬挂环与第二座环接触；第二腔体管与第二悬挂环通过螺纹连接，岩心管与卡簧座通过螺纹连接；止逆阀球通过止逆阀座安装在连接杆下部；卡簧座于卡簧座的锥形孔中；
外管总成包括弹卡挡头、第一外管、第一扩孔器、第二扩孔器、第二外管、第二悬挂环和第一钻头，弹卡挡头与第一外管通过螺纹连接，第一外管通过螺纹与第一扩孔器连接，第二扩孔器与第二外管通过螺纹连接，第二外管通过螺纹与第二悬挂环连接，第二扩孔器与第一钻头通过螺纹连接。
所述连接杆在第二腔体管的孔内做直线运动；冷冻腔为存储制冷剂的腔体。
通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型采用制冷机组循环制冷制冷剂对天然气水合物岩心进行冷冻，可实现快速冷冻，冷冻效好，由于制冷剂的循环使用相比传统的制冷机构，不仅制冷均匀，还可有效地降低成本和因补充制冷剂而造成的辅助作业时间；钻进过程中内管总成不回转，从而避免了因钻具回转产生的机械力对天然气水合物岩心的破坏，并且因内管的超前钻进，有效避免了冲洗液冲蚀天然气水合物岩心，更有效地提高了天然气水合物岩心采取率、完整度和代表性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：
图1是本实用新型冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的整体结构示意图。
图2是本实用新型冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的上段部分示意图。
图3是本实用新型冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的中段部分示意图。
图4是本实用新型冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具的下段部分示意图。
图中各标记如下：1-捞矛头、2-第一弹性销、3-弹卡回收管、4.第二弹性销、5-弹卡挡头、6-扭簧、7-弹卡、8-第三弹性销、9-弹卡架、10-第一外管、11-内接手、12-第一悬挂环、13-第一座环、14-第一轴承、15-上轴承座、16-油嘴、17-第二轴承、18-下轴承座、19-弹簧、20-挡环、21-垫片、22-圆螺母、23-电源腔体管、24-电源、25-连接杆、26-电极、27-内螺母挡片、28-挡片密封圈、29-第二外管、30-导线、31-第一腔体管、32-制冷机组、33-定位螺栓、34-制冷剂输入管、35-减震垫片、36-电动冲击器、37-第二腔体管、38-止逆阀球、39-止逆阀座、40-冷冻腔、41-真空腔、42-第二扩孔器、43-第二悬挂环、44-第二座环、45-岩心管、46-第一钻头、47-卡簧、48-卡簧座、49-第二钻头、50-第一扩孔器、51-制冷剂输出管。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实用新型提出的冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，该取心钻具由内管总成和外管总成两部分构成，内管总成包括打捞机构、弹卡定位机构、悬挂机构、单动机构、缓冲机构、冲击机构和孔底冷冻机构，
打捞机构包括捞矛头1、第一弹性销2及弹卡回收管3，捞矛头1通过第一弹性销2与弹卡回收管3铰接；打捞器下入孔内后与捞矛头1连接；弹卡回收管3在自身重力和打捞器拉力作用下延竖直方向提升和下放；打捞机构通过打捞器与打捞机构的连接实现将钻具内管总成放入孔内和回收的过程；同时通过打捞器提起打捞机构时带动连接杆25向上移动，使制冷机组32接通电源24，进而循环制冷剂对天然气水合物岩心进行制冷，从而实现冷冻绳索取芯的过程。
弹卡定位机构包括第二弹性销4、弹卡挡头5、扭簧6、弹卡7、第三弹性销8及弹卡架9，弹卡架9与弹卡回收管3通过第二弹性销4铰接，第二弹性销4与弹卡架9的连接为可动连接，第二弹性销4与弹卡回收管3之间为固定连接，弹卡7数量为两片，两片弹卡7均卡在弹卡挡头5上，且两片弹卡7之间通过第三弹性销8形成转动连接，弹卡7因扭簧6在弹卡架9内保持张开，第三弹性销8与弹卡架9为固定连接；由于两片弹卡7卡在弹卡挡头5上，进而不会因钻进过程中天然气水合物岩心进入岩心管45时产生向上的力而导致内管总成上移。
悬挂机构包括弹卡架9、内接手11、第一悬挂环12与第一座环13，内接手11与弹卡架9通过螺纹连接，同时内接手11通过螺纹与第一悬挂环12连接，在内接手11上开有均匀分布的八个斜孔，其中四个斜孔位于第一悬挂环12上方，另外四个斜孔位于第一悬挂环12下方，第一悬挂环12与第一座环13接触后，致使内管与外管之间的流通通道被堵死，泥浆通过位于内接手11上部的斜孔进入，从位于内接手11下部的斜孔流出完成泥浆循环；第一悬挂环12与第一座环13为接触式连接，这种接触式连接使内管总成悬挂在外管总成内；
单动机构包括上轴承座15、下轴承座18、第一轴承14、第二轴承17和油嘴16，上轴承座15与内接手11通过螺纹连接；第一轴承14上部与上轴承座15接触，并随上轴承座15转动，第一轴承14下部与下轴承座18接触保持不动；当天然气水合物岩心在岩心管45内卡住时，第一轴承14承受上顶力，该力则通过弹卡7传递到外管，第二轴承17上部与下轴承座18接触；第二轴承17提供上顶力使下轴承座18不向下移动，油嘴16与下轴承座18通过螺纹接触，润滑油通过油嘴16注入到第一轴承14与上轴承座15之间和第二轴承17与下轴承座18之间的间隙内；由于第一轴承14与第二轴承17的存在使岩心管45能够单动，避免了天然气水合物的扰动；
缓冲机构包括弹簧19、挡环20、垫片21及圆螺母22，圆螺母22与上轴承座15通过螺纹连接，并通过垫片21将挡环20固定在上轴承座15的下部台阶处，弹簧19下部与挡环20接触，弹簧19上部与第二轴承17接触；弹簧19下部因与挡环20接触无法向下移动，上部因与第二轴承17接触进而弹簧19的伸缩受到限制，当内管总成下放到孔内时，第一悬挂环12坐落在第一座环13上，内管总成下部即内螺母挡片27下部的机构因自重下移，弹簧19可起到缓冲作用，且第二悬挂环43与第二座环44留有一定的间隙作为泥浆流动的通道；在卡断天然气水合物岩心时，卡簧47带动卡簧座48下移压缩弹簧19，第二悬挂环43与第二座环44接触，进而将拔断天然气水合物岩心的力传递到外管上。
冲击机构包括电动冲击器36、电源24、连接杆25、电极26、导线30、内螺母挡片27、挡片密封圈28、第一腔体管31、第二腔体管37及第二钻头49，电极26位于电源24的内部通孔中，正极位于负极上方，并分别与连接杆25内的两根导线30接触；连接杆25穿过位于电源24内部的通孔与电源腔体管23螺纹连接，电源24通过设置在连接杆25内部的导线30依次与制冷机组32、电动冲击器36形成可动连接，电源24固定在电源腔体管23内；内螺母挡片27与电源腔体管23螺纹连接，内螺母挡片27中部设置有挡片密封圈28；第二腔体管37与第一腔体管31之间螺纹连接；第二钻头49与第二腔体管37通过螺纹连接；电动冲击器36固定在第一腔体管31内；当内管总成中的第一腔体管31沿连接杆25向上运动到与电源腔体管23接触时即达到第一腔体管31的行程上限，此时导线30接通电源24与电动冲击器36，电动冲击器36开始工作，电动冲击器36的冲击力通过第二腔体管37传递到第二钻头49进行冲击钻进；
孔底冷冻机构包括制冷机组32、电源24、连接杆25、导线30、冷冻腔40、真空腔41、制冷剂输入管34、制冷剂输出管51、岩心管45、卡簧47、卡簧座48、止逆阀球38和止逆阀座39，连接杆25下部依次穿过第一腔体管31、制冷机组32、减震垫片35、电动冲击器36和第二腔体管37，并与它们形成可动连接，连接杆25与第一腔体管31之间设置有密封圈，连接杆25与第一腔体管31之间密封圈的存在可避免液体进入第一腔体管31；制冷机组32经定位螺栓33与第一腔体管31形成固定连接，连接杆25下端部与第二腔体管37内腔顶面接触时即达到第一腔体管31的行程下限，当第一腔体管31达到行程下限时，第二悬挂环43与第二座环44之间有一定的间隙，供冲洗液通过，此时导线30接通制冷机组32与电源24，制冷机组32开始工作，制冷剂通过制冷剂输出管51进入冷冻腔，再由制冷剂输入管34进入制冷机组32完成制冷循环，冷冻腔40和真空腔41位于第二腔体管37内部，冷冻腔40和真空腔41同轴布置，且真空腔41位于冷冻腔40外部，冷冻腔40分别通过制冷剂输入管34、制冷剂输出管51与制冷机组32连通形成制冷剂循环系统，制冷剂与天然气水合物岩心之间通过热交换来冷冻天然气水合物岩心，由于外层真空腔41的存在，避免了大部分冷量的散失；拔断天然气水合物岩心时，连接杆25下端部与第二腔体管37内腔顶面接触时即达到第一腔体管31行程下限，第二悬挂环43与第二座环44接触；第二腔体管37与第二悬挂环43通过螺纹连接，岩心管45与卡簧座48通过螺纹连接；止逆阀球38通过止逆阀座39安装在连接杆25下部；卡簧47座于卡簧座48的锥形孔中；拔断天然气水合物岩心时，连接杆25下端部分与第二腔体管37内腔内的顶面接触时即第一腔体管31达到行程下限，第二悬挂环43与第二座环44接触，此时冲洗液流通受阻，泵压增大；拔断天然气水合物岩心后，由于弹簧19的回复力，第二悬挂环43与第二座环44分开，冲洗液通道打开，泵压恢复正常。第一腔体管31与第二腔体管37通过螺纹连接，第二腔体管37与第二悬挂环43通过螺纹连接，第二钻头49与第二腔体管37通过螺纹连接，岩心管45与卡簧座48通过螺纹连接。由于连接杆25下部止逆阀的存在，在钻进过程中，岩心管45中的液体和气体可由此排出。卡簧47座于卡簧座48的锥形孔中，在钻进结束后卡簧47抱死岩心柱，力由卡簧47经卡簧座48传递到第二钻头49，再经第二悬挂环43、第二座环44将拔断天然气水合物岩心的力传递到外管上保证内管总成不受力。
外管总成包括弹卡挡头5、第一外管10、第一扩孔器50、第二扩孔器42、第二外管29、第二悬挂环43和第一钻头46，弹卡挡头5与第一外管10通过螺纹连接，第一外管10通过螺纹与第一扩孔器50连接，第二扩孔器42与第二外管29通过螺纹连接，第二外管29通过螺纹与第二悬挂环43连接，第二扩孔器42与第一钻头46通过螺纹连接。
采用冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具提取天然气水合物岩心的方法包括以下步骤：
a、在井台上首先将连接杆25和内螺母挡片27从电源腔体管23卸下，把充好的电源24装入电源腔体管23中，装入过程中要避免水分的进入，并且要检验密封圈28的密封性能；
b、将润滑油通过油嘴16注入到第一轴承14与上轴承座15之间和第二轴承17与下轴承座18之间的间隙内；满足轴承在转动过程中的润滑、散热和防水的要求；
c、将内管总成下放到孔内进行钻进；
d、下落过程中，连接杆25下端保持与第二腔体管37内腔顶面接触，直至第一腔体管31与电源腔体管23接触，此时连接杆25内的导线30连通电动冲击器36，电动冲击器36开始工作，每当电动冲击器36冲击到一定深度，导线30便无法连通电动冲击器36，直到外管的钻进深度与内管的钻进深度达到一定距离后，电动冲击器36便又开始工作，确保了钻进设备的安全，由于上部第一轴承14和第二轴承17的协同作用，内管在冲击钻进的同时不随外管回转钻进旋转，并且由于内管的超前钻进，流经内、外管间隙的冲洗液很难冲刷到天然气水合物岩心，避免了天然气水合物岩心受到冲洗液的污染及冲蚀，进而最大程度对岩样进行了保真；
e、钻进结束后投入打捞器，打捞器上的打捞钩将捞矛头1锁住，锁住后上提内管总成，第一腔体管31及下面的钻具由于自身重力相对于捞矛头1下移，当提动内管总成的长度等于连接杆25下端的行程时，继续提动内管总成时，内管的受力发生变化，受到连接杆25的提升力以及天然气水合物岩心向下静摩擦力，此时上部的弹簧19产生压缩变形，直至第二悬挂环43与第二座环44接触，此时核心构件连接杆25所受到的力达到最大值，拔断天然气水合物岩心的力传递到外管，保护连接杆25及内管不致受到损坏；与此同时，连接杆25内的导线30连通电源24与制冷机组32，制冷机组32开始循环制冷天然气水合物岩心；
f、当拔断天然气水合物岩心后，连接杆25下端面保持与第二腔体管37内腔顶面接触，此时制冷机组32持续循环制冷天然气水合物岩心，保证了天然气水合物岩心在提升过程中不会分解；
g、内管总成到达地面后应使电源24既不接通制冷机组32又不接通电动冲击器36，并迅速卸下卡簧座48将冷冻的天然气水合物岩心取出后放入液氮鑵中保存。
本实用新型提出的冲击回转式天然气水合物孔底冷冻绳索取心钻具，提取天然气水合物岩心时，制冷机组32接通电源24循环制冷冷冻腔40内的制冷剂，制冷剂则通过热交换使天然气水合物岩心的温度保持不变，进而抑制天然气水合物的分解，可实现快速冷冻，冷冻效好，由于制冷剂的循环使用相比传统的制冷机构，不仅制冷均匀，还可有效地降低成本和因补充制冷剂而造成的辅助作业时间；将绳索取心与孔底冷冻结合，实现不提钻快速取心；钻进时，连接杆25内的导线30连通电动冲击器36，电动冲击器36开始工作，每当电动冲击器36冲击到一定深度，导线便无法连通电动冲击器36，直到外管的钻进深度与内管的钻进深度达到一定距离后，便又开始工作，确保了钻进设备的安全，由于上部两个轴承的协同作用，内管在冲击钻进的同时不随外管回转钻进旋转，由于内管总成不回转，因而在较大程度上避免了因钻具回转产生的机械力对天然气水合物岩心的破坏，并且因内管的超前钻进，有效避免了冲洗液冲蚀天然气水合物岩心，更有效地提高了天然气水合物岩心采取率、完整度和代表性。